超導(dǎo)體

氣體液化問(wèn)題是19世紀(jì)物理學(xué)的熱點(diǎn)之一。1894年荷蘭萊頓大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)教授卡麥林?昂內(nèi)斯建立了著名的低溫試驗(yàn)室。1908年昂內(nèi)斯成功地液化了地球上最后一種“永久氣體”-氦氣，并且獲得了接近絕對(duì)零度(零下273.2攝氏度，標(biāo)為OK)的低溫：4.25K-1.15K(相當(dāng)于零下攝氏度)。為此，朋友們風(fēng)趣地稱(chēng)他為“絕對(duì)零度先生”。這樣低的溫度為超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)提供了有力保證。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，1911年昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)：汞的電阻在42K左右的低溫度時(shí)急劇下降，以致完全消失卿零電阻)。1913年他在一篇論文中首次以“超導(dǎo)電性”一詞來(lái)表達(dá)這一現(xiàn)象。由于“對(duì)低溫下物質(zhì)性質(zhì)的研究，并使氦氣液化”方面的成就，昂內(nèi)斯獲1913年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

“超導(dǎo)電性”現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)之后，引起了各國(guó)科學(xué)家的關(guān)注和研究，并寄予很大期望。通過(guò)研究，人們發(fā)現(xiàn)：所有超導(dǎo)物質(zhì)，如鈦、鋅、銘、鉛、汞等，當(dāng)溫度降至臨界溫度(超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度)時(shí)，皆顯現(xiàn)出某些共同特性：(l)電阻為零，一個(gè)超導(dǎo)體環(huán)移去電源之后，還能保持原有的電流。有人做過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)環(huán)中的電流持續(xù)了二年半而無(wú)顯著衰減;(2)完全抗磁性這一現(xiàn)象是1933年德國(guó)物理學(xué)家邁斯納等人在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的，只要超導(dǎo)材料的溫度低于臨界溫度而進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)以后，該超導(dǎo)材料便把磁力線排斥體外，因此其體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度總是零。這種現(xiàn)象稱(chēng)為“邁斯納效應(yīng)”。

超導(dǎo)電性的本質(zhì)究竟是什么，一開(kāi)始人們便從實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)方面進(jìn)行探索。不少著名科學(xué)家為此負(fù)出了巨大努力。然而直到50年人才獲得了突破性的進(jìn)展，“BCS”理論的提出標(biāo)志著超導(dǎo)電性理論現(xiàn)代階段的開(kāi)始“BCS”理論是由美國(guó)物理學(xué)家巴丁、庫(kù)珀和施里弗于1957年首先提出的，并以三位科學(xué)家姓名第一個(gè)大寫(xiě)字母命名這一理論。這一理論的核心是計(jì)算出超導(dǎo)體中存在電子相互吸引從而形成一種共振態(tài)，即存在“電子對(duì)”。

1962年英國(guó)劍橋大學(xué)研究生約瑟夫森根據(jù)“BCS”理論預(yù)言，在薄絕緣層隔開(kāi)的兩種超導(dǎo)材料之間有電流通過(guò)，即“電子對(duì)”能穿過(guò)薄絕緣層(隧道效應(yīng));同時(shí)還產(chǎn)生一些特殊的現(xiàn)象，如電流通過(guò)簿絕緣層無(wú)需加電壓，倘若加電壓，電流反而停止而產(chǎn)生高頻振蕩。這一超導(dǎo)物理現(xiàn)象稱(chēng)為“約瑟夫森效應(yīng)”。這一效應(yīng)在美國(guó)的貝爾實(shí)驗(yàn)室得到證實(shí)。“約瑟夫森效應(yīng)”有力的支持了‘BCS理論”。因此，巴丁、庫(kù)怕、施里弗榮獲1972年諾貝爾物理獎(jiǎng)。約瑟夫森則獲得1973年度諾貝爾物理獎(jiǎng)。

超導(dǎo)體的研究進(jìn)入60年代以來(lái)，重。已逐漸轉(zhuǎn)向?qū)Τ瑢?dǎo)新材料的開(kāi)發(fā)方面。開(kāi)發(fā)高臨界溫度的超導(dǎo)材料將能為超導(dǎo)體的大規(guī)模應(yīng)用創(chuàng)造條件。

德國(guó)物理學(xué)家柏諾茲和瑞士物理學(xué)家繆勒從1983年開(kāi)始集中力量研究稀土元素氧化物的超導(dǎo)電性。1986年他們終于發(fā)現(xiàn)了一種氧化物材料，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度比以往的超導(dǎo)材料高出12度。這一發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了超導(dǎo)研究的重大突破，美國(guó).中國(guó)、日本等國(guó)的科學(xué)家紛紛投入研究，很快就發(fā)現(xiàn)了在液氮溫區(qū)獲(-196C”以D得超導(dǎo)電性的陶瓷材料，此后不斷發(fā)現(xiàn)高臨界溫度的超導(dǎo)材料。這就為超導(dǎo)的應(yīng)用提供了條件。帕諾茲和繆勒也因此獲1987年諾貝爾物理獎(jiǎng)。[-(@_@)-]

超導(dǎo)電性現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)之后，不少人就想到了如何應(yīng)用的問(wèn)題。由于當(dāng)時(shí)很多問(wèn)題在技術(shù)上一時(shí)還難以解決，應(yīng)用還只是可望不可及的事情。隨著近年來(lái)研究工作的深入，超導(dǎo)體的某些特性已具實(shí)用價(jià)值，例如超導(dǎo)磁浮列車(chē)已在某些國(guó)家進(jìn)行試驗(yàn)，超導(dǎo)量子干涉器也研制成功，超導(dǎo)船、用約瑟夫森器件制成的超級(jí)計(jì)算機(jī)等正在研制過(guò)程中，超導(dǎo)材料已經(jīng)深入到科研、工業(yè)和人們的生活之中。